一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置及方法
本发明涉及测量设备，具体是一种测量柔性传感材料在受到多模态外力下电气特性的测量装置及方法。
背景技术：
1、高导电性和柔韧性的敏感材料是柔性传感器的核心组成部分，其在受力时会发生相应程度的形变，材料本身的电气特性(电阻或电容)也会发生变化，并在很大程度上决定了传感器的传感性能。传统力传感器是以硬质材料为主，柔性传感材料的研究时间较短，因此，对柔性传感材料在受到多模态外力时其本身电气特性变化关系的测试研究，不仅可以得到柔性传感材料在被施加复杂力情况下对灵敏度线性区间及受外界影响时产生的参数波动，同时对研制出高传感灵敏度、超低检出限和可靠响应的理想柔性压力传感材料有重要的指导意义。
2、公开号为201811563137.2公开了一种“柔性压力传感器的校准方法和装置”，该装置通过在l型支架和承压平台组成的框型结构的内表面上下两侧分别安装压力计和电阻测量仪来实现压力和电阻变化关系的检测。该设备仅能实现单一方向的压力变化进而得到与之对应的正压力—电阻信号。
3、公开号为201710657197.x公开了“一种柔性薄膜阵列压力传感器的自动标定装置及标定方法”该装置通过杠杆原理实现对固定在工作台上的柔性薄膜传感器的敏感单元施加大小确定的作用力并通过采集传感器反馈信号完成力的标定。公开号为202210709377.9公开了“一种柔性压力传感器阵列标定装置”通过设置压力孔向压力腔传输高压气体实现同时对整个传感器表面施加压力同时检测传感器的阻值变化。上述设备缺点为均只能实现单方向上进行力和电阻信号的测量，并且装置体积较大，难于搬运，同时此类装置得到的力信难以实时读取，同时解耦困难。
4、由此可见，在柔性传感领域急需一种可靠的能够测量不同模态作用力下柔性传感材料的电阻、电容等电气特性变化关系的简易装置，该装置需要具备结构简单、体积小、便于操作、检测精度高且成本较低，而且能够准确和方便的测出柔性传感材料在受到不同模态外力下其力电变化特性。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术中柔性传感材料测试模态单一，设备体积大操作难度高，结构复杂的问题，提供一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置及方法，
2、一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，包括：
3、支撑机构，用于将检测装置固定在指定位置；
4、运动机构，安装在所述支撑机构的设定高度处，用以实现测量机构在水平及竖直方向上的直线运动；所述运动机构由呈十字交叉且相互垂直安装的横向移动模组和竖向移动模组构成；
5、测量机构，与所述运动机构相连接，用以完成对柔性传感材料的表面压力及摩擦力的测量，并检测和记录相关柔性传感材料与工具端相接触时在不同压力和摩擦力下的电阻电容变化曲线；所述测量机构包括连接轴组件、三维力传感器、工具端、夹具、电气信号检测装置；所述连接轴组件与运动机构相连；连接轴组件下方依次连接所述三维力传感器和工具端，夹具和支撑机构放置于同一平面且夹具位于工具端下方，所述夹具用于夹持柔性传感材料；所述电气信号检测装置与柔性传感材料相连；
6、所述横向移动模组和竖向移动模内的电机及电气信号检测装置均与计算机相连。
7、进一步的，所述支撑机构包括矩形底架和立柱，所述矩形底架通过两个短连接杆和两个长连接杆相互连接构成，矩形底架上设有与所述长连接杆相垂直的两个所述立柱，两个立柱顶部通过横梁相连。
8、进一步的，所述长连接杆、立柱均采用2040型材，所述短连接杆、横梁均采用2020型材，各个型材间通过角件和l型连接板实现互连。
9、进一步的，所述横向移动模组由横向电机、横向滑台和横向导轨构成，所述横向导轨通过角件固定在支撑机构两侧立柱的设定高度上；所述横向滑台可移动安装在横向导轨上，所述横向电机设置于横向导轨一侧，横向电机的输出轴通过螺杆与横向滑台连接以控制横向滑台的左右移动；
10、所述竖向移动模组由竖向电机、竖向滑台和竖向导轨构成，所述竖向导轨通过连接板固定在横向滑台上，所述竖向电机设置于竖向导轨上部，所述竖向滑台可移动安装在竖向导轨上，竖向电机的输出轴通过螺杆与竖向滑台连接以控制竖向滑台的上下移动；竖向滑台上设有用于与测量机构固定的连接板。
11、进一步的，所述连接轴组件包括相互垂直连接的水平端连接轴组件和竖直端连接轴组件，所述水平端连接轴组件与运动机构的竖向移动模组相连，竖直连接轴组件与三维力传感器连接，三维力传感器分为固定端和加载端，固定端和加载端分别设置有三个定位销孔，通过定位销孔与竖直连接轴组件和工具端进行对准，并通过螺栓紧固，工具端的中心位于夹具中心的上侧。
12、进一步的，所述水平端连接轴组件的一端为板状端面，板状端面上对称分布有四个连接孔，通过连接孔将水平端连接轴组件与竖向移动模组的竖向滑台进行连接；水平端连接轴组件的另一端为螺纹轴，在螺纹轴尾部两侧中心位置对称分布有定位孔a，所述定位孔的中轴线与螺纹轴的中轴线相互垂直；
13、竖直端连接轴组件由立方体块和连接杆构成，所述立方体块设置于连接杆的一端，连接杆的另一端设置有圆盘；所述立方体块的中部设有槽口，槽口中轴线与连接杆轴线垂直，槽口两侧的立方体块上设有定位孔b，所述水平端连接轴组件的螺纹轴端穿过槽口并通过移动将定位孔a和定位孔b的中点处于同一直线上，最后通过销钉穿入定位孔a和定位孔b实现水平端连接轴组件和竖直端连接轴组件固定，此外凸出于立方体块的螺纹轴端部通过螺帽紧固。
14、进一步的，所述夹具为平口钳，钳口深度可视，柔性传感材料尺寸在10mm-28mm之间。
15、进一步的，所述电气信号检测装置为一种数字式台式万用表，通过转换模式能够测量柔性传感材料的电阻电容。
16、进一步的，所述运动机构上还设有减速器，用以调整实验所需的速度范围。
17、本发明还提供一种基于力电特性检测装置测量柔性传感材料表面在受力后内部阻值变化的方法，包括以下步骤：
18、s1.将所述支撑机构固定在设定位置，并调整所述运动机构在支撑机构上的竖直高度，使所述工具端能够接触到待测的柔性传感材料，同时确保检测装置的各个组件不会对整机运行产生任何扰动；
19、s2.调节所述连接轴组件，使竖直端连接轴组件能够保持与待测柔性传感材料上表面垂直的状态，将所述三维力传感器与连接轴组件的竖直端连接轴组件相连，并将与柔性传感材料相接触的工具端和三维力传感器相连；
20、s3.放置夹具，装夹柔性传感材料，将柔性传感材料放置在夹具内；
21、s4.将电气信号检测装置连接到柔性传感材料非装夹面的两侧；
22、s5.启动横向移动模组内的横向电机，利用横向电机转动带动横向滑台移动到柔性传感材料正上方，启动竖向移动模组内的竖向电机，利用竖向电机转动带动竖向滑台移动，使工具端和柔性传感材料上表面相接触；
23、s6.测量柔性传感材料所受压力和内部阻值之间的变化关系；
24、依次测量当柔性传感材料发生应变量为20％-60％时对应的正压力和相应阻值，首次测量柔性传感材料应变量为20％，每次以10％的应变量增加形变，直至所测柔性传感材料应变达到60％；
25、s7.测量柔性传感材料内部阻值与上表面所受摩擦力之间的变化关系；
26、当工具端接触柔性传感材料表面并进行横向运动时，依次测量在施加不同正压力下柔性传感材料所产生的摩擦力与其内部阻值之间的关系，首次测量柔性传感材料形变量为1mm，每次以1mm的变形量增加形变，直至所测柔性传感材料形变达到18mm；
27、当工具端接触柔性传感材料表面并进行横向运动时，依次测量在施加同一正压力下不同移动速度时，柔性传感材料所产生的摩擦力与其内部阻值之间的关系，首次测量柔性传感材料上表面与工具端接触时相对移动速度为2mm/s，每次以2mm/s的变化量增加接触速度，直至所测柔性传感材料形变达到10mm/s；
28、测量时，启动竖向移动模组内的竖向电机，使竖向滑台进行移动，带动连接在竖向滑台上的连接轴组件进行移动，使所述工具端和柔性传感材料上表面相接触，记录此刻计算机中所显示竖向滑台位置，并将此时滑台位置设置为零位，记录完毕后回升工具端，启动电气信号检测装置，记录初始状态下柔性传感材料的内部阻值；
29、竖向滑台开始移动，接触柔性传感材料上表面并进行挤压，使柔性传感材料产生形变，通过三维力传感器记录工具端施加在柔性传感材料表面上的正压力，通过电气信号检测装置记录此时柔性传感材料内部阻值；当柔性传感材料形变值达到设定值后，记录此时三维力传感器所返回压力值及电气信号检测装置所测得的材料内部电阻值，工具端回升脱离与柔性传感材料的接触；
30、以10％的应变差逐次调节对柔性压力传感材料的施加压力，并重复上述测量过程，直至完成测量柔性压力传感材料在应变量为20％-60％时的压力范围以及得到柔性压力传感材料在该压力范围内的阻值变化情况；
31、在测量中，通过计算机自动绘制出测量过程压力和摩擦力变化的曲线图，通过电气信号检测装置自动绘制出测量过程中阻值变化的曲线图。
32、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
33、1.本发明通过使用三维力传感器和电气信号检测装置，可以实时、精确地测量柔性传感材料在受力时的电阻、电容等特性变化。而且，测量装置具有横向和竖向的直线运动机构，能够对柔性传感材料施加不同方向和大小的力，从而实现多模态下的测试，提高了测量的灵活性和准确性。
34、2.该检测装置采用了简单的支撑机构和运动机构，使其结构简单、体积小，易于操作和搬运，相比现有技术更加便捷；通过与计算机连接，装置可以实时监测、记录和分析柔性传感材料在不同压力和摩擦力下的电阻、电容等变化情况，为相关研究和应用提供了重要数据支持。
35、3.本发明电特性检测装置中电气信号检测装置采用数字式台式万用表，利用数字式台式万用表可测出柔性传感材料在不同参数条件、不同模态力(压力、摩擦力)下对应的阻值变化；通过设置支撑机构、运动机构和测量机构，在上述机构的配合下，实现了整机结构的简化，安装过程简便，简化了操作步骤；通过在计算机中编写相应程序可实现整个测量过程的自动化，有效的降低了操作难度，并提升了测试精度；
36、4.调整数字式台式万用表的测量模式，可用于测量柔性传感材料在不同模态力下的其它电气特性(电阻、电容、电感等)的显示关系。
技术特征：
1.一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述支撑机构包括矩形底架和立柱，所述矩形底架通过两个短连接杆和两个长连接杆相互连接构成，矩形底架上设有与所述长连接杆相垂直的两个所述立柱，两个立柱顶部通过横梁相连。
3.根据权利要求2所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述长连接杆、立柱均采用2040型材，所述短连接杆、横梁均采用2020型材，各个型材间通过角件和l型连接板实现互连。
4.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述横向移动模组由横向电机、横向滑台和横向导轨构成，所述横向导轨通过角件固定在支撑机构两侧立柱的设定高度上；所述横向滑台可移动安装在横向导轨上，所述横向电机设置于横向导轨一侧，横向电机的输出轴通过螺杆与横向滑台连接以控制横向滑台的左右移动；
5.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述连接轴组件包括相互垂直连接的水平端连接轴组件和竖直端连接轴组件，所述水平端连接轴组件与运动机构的竖向移动模组相连，竖直连接轴组件与三维力传感器连接，三维力传感器分为固定端和加载端，固定端和加载端分别设置有三个定位销孔，通过定位销孔与竖直连接轴组件和工具端进行对准，并通过螺栓紧固，工具端的中心位于夹具中心的上侧。
6.根据权利要求5所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述水平端连接轴组件的一端为板状端面，板状端面上对称分布有四个连接孔，通过连接孔将水平端连接轴组件与竖向移动模组的竖向滑台进行连接；水平端连接轴组件的另一端为螺纹轴，在螺纹轴尾部两侧中心位置对称分布有定位孔a，所述定位孔的中轴线与螺纹轴的中轴线相互垂直；
7.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述夹具为平口钳，钳口深度可视，柔性传感材料尺寸在10mm-28mm之间。
8.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述电气信号检测装置为一种数字式台式万用表，通过转换模式能够测量柔性传感材料的电阻电容。
9.根据权利要求1所述的一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，其特征在于，所述运动机构上还设有减速器，用以调整实验所需的速度范围。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述的力电特性检测装置测量柔性传感材料表面在受力后内部阻值变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
技术总结
本发明公开一种柔性传感材料多模态力电特性检测装置，包括支撑机构、运动机构和测量机构，支撑机构用于将检测装置固定在指定位置；运动机构用以实现测量机构在水平及竖直方向上的直线运动；测量机构与运动机构相连接，用以完成对柔性传感材料的表面压力及摩擦力的测量，并检测和记录相关柔性传感材料与工具端相接触时在不同压力和摩擦力下的电阻电容变化曲线；电气信号检测装置与柔性传感材料相连；运动机构内的电机及电气信号检测装置均与计算机相连。
技术研发人员：刘笑宇,郭杰轶,王景辉,樊喻波
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5